46億年前的地球，并非一顆溫柔的藍(lán)色星球。頻繁而劇烈的星體撞擊使其地表與內(nèi)部翻騰著熾熱的巖漿海洋，水無(wú)法以液態(tài)存在。

中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所團(tuán)隊(duì)首次通過(guò)高溫高壓實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在地球形成初期極端高溫的環(huán)境下，大量水分可通過(guò)礦物的結(jié)晶過(guò)程，被高效“鎖藏”于地幔深處。

這一發(fā)現(xiàn)更新了關(guān)于地球深部水儲(chǔ)存與早期分布的認(rèn)知，指示深部水可能是驅(qū)動(dòng)地球轉(zhuǎn)變?yōu)橐司有乔虻年P(guān)鍵。

▲布里奇曼石從地球深部巖漿洋“鎖水”的想象示意圖 （AI生成）

01

方寸間捕捉“水印記”

地球早期的巖漿海洋在冷卻過(guò)程中，會(huì)結(jié)晶出固態(tài)礦物，逐漸形成地幔。其中，布里奇曼石是地幔中最早結(jié)晶且含量超過(guò)一半的主要礦物，它如同一個(gè)微觀的“儲(chǔ)水容器” ，其“鎖水”能力直接決定了有多少水能從巖漿中轉(zhuǎn)入固態(tài)地球。

為了實(shí)現(xiàn)研究目標(biāo)，研究團(tuán)隊(duì)面臨兩大挑戰(zhàn)：一是在實(shí)驗(yàn)室模擬地下深度超660公里的極端環(huán)境；二是在不足頭發(fā)絲直徑十分之一的“微塵”級(jí)實(shí)驗(yàn)樣品中，精準(zhǔn)捕捉含量低至萬(wàn)分之一級(jí)別的水分子信號(hào)。

研究團(tuán)隊(duì)搭建了能實(shí)現(xiàn)激光加熱和高溫成像的金剛石壓腔實(shí)驗(yàn)裝置，成功模擬深部地幔條件，并精準(zhǔn)測(cè)定了相平衡溫度，為揭示溫度對(duì)水分配的關(guān)鍵控制作用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

研究團(tuán)隊(duì)利用冷凍三維電子衍射、納米二次離子質(zhì)譜等尖端手段，結(jié)合原子探針斷層掃描技術(shù)，發(fā)展出一系列原創(chuàng)性微納尺度微量水分析新方法。

廣州地化所科研團(tuán)隊(duì)的研究，成功突破了系列高溫高壓實(shí)驗(yàn)與微納米尺度水含量表征的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。

這些方法猶如為微觀世界配備了超高分辨的“化學(xué)CT”與“質(zhì)譜儀”，成功在微米級(jí)樣品中清晰識(shí)別出水分子的分布信號(hào)，破譯了布里奇曼石的“鎖水”密碼。

▲實(shí)驗(yàn)樣品的微納米尺度表征

02

顛覆傳統(tǒng)認(rèn)知

研究團(tuán)隊(duì)利用自主研發(fā)的極端高溫高壓實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置，成功將實(shí)驗(yàn)溫度大幅提升至約4100℃的極端高溫，發(fā)現(xiàn)礦物的“鎖水”能力（即水分配系數(shù)）隨溫度升高而顯著增強(qiáng)。

這意味著，在地球最熾熱的“巖漿洋”階段，正在結(jié)晶的布里奇曼石反而能夠“捕獲”并封存遠(yuǎn)超以往想象的海量水分，這直接顛覆了“深下地幔幾乎不含水”的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)。

基于這一新發(fā)現(xiàn)，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了巖漿海洋結(jié)晶模型。

模擬結(jié)果顯示，由于早期高溫下布里奇曼石的強(qiáng)效鎖水能力，在巖漿海洋凝固后，下地幔成為整個(gè)固體地幔中最大的儲(chǔ)水層，其儲(chǔ)水量可能高達(dá)此前模型預(yù)估的5至100倍。

據(jù)估算，早期固體地幔中儲(chǔ)存的水量，可能相當(dāng)于0.08至1個(gè)現(xiàn)代全球海洋的總水量。

深埋的水并非靜止的“庫(kù)存”，它如同地球這臺(tái)巨型地質(zhì)機(jī)器的“潤(rùn)滑劑”，能夠降低地幔巖石的熔點(diǎn)和黏度，促進(jìn)內(nèi)部物質(zhì)循環(huán)與板塊運(yùn)動(dòng)等重要地質(zhì)過(guò)程，賦予地球持續(xù)演化的活力。

隨著時(shí)間推移，深部水通過(guò)巖漿活動(dòng)等地質(zhì)過(guò)程被逐漸“泵”回地表，參與形成原始大氣和海洋。這股早在星球初期就被封存于地球“骨骼”中的“水之火種”，很可能正是推動(dòng)地球從巖漿煉獄轉(zhuǎn)變?yōu)樗{(lán)色宜居星球的關(guān)鍵力量。

論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adx5883

來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所

責(zé)任編輯：曹旸